CN114485975A - 一种用于热电偶快速冷端补偿系统的三线制测温电路 - Google Patents

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CN114485975A CN202111611544.8A CN202111611544A CN114485975A CN 114485975 A CN114485975 A CN 114485975A CN 202111611544 A CN202111611544 A CN 202111611544A CN 114485975 A CN114485975 A CN 114485975A
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邹璞
韦建荣
张志�
金天贺
张鹏跃
孟令生
范硕
韩全
李秉刚
王晨
王锐
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Beijing Aerospace Measurement and Control Technology Co Ltd
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/02—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01K7/10—Arrangements for compensating for auxiliary variables, e.g. length of lead
    • G01K7/12—Arrangements with respect to the cold junction, e.g. preventing influence of temperature of surrounding air
    • G01K7/13—Circuits for cold-junction compensation

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Abstract

本发明公开了一种用于热电偶快速冷端补偿系统的三线制测温电路，包括测温电阻R0，引线R1、R2、R3，电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10，运放OPA0、OPA1、OPA2，基准电压Vref；本发明的温度测量采用三线制测温电路，避免了传统二线制测温电路由引线电阻引起的测量误差，同时只需测量一次，即可得到与导线电阻无关测试结果，提高了冷端补偿过程中热电阻的测量精度及效率。

Description

一种用于热电偶快速冷端补偿系统的三线制测温电路
技术领域
本发明属于热电偶温度采集的技术领域，具体涉及一种用于热电偶快速冷端补偿系统的三线制测温电路。
背景技术
热电偶的输出信号是与温度直接对应的电压信号，其热电动势与两端温度均有关，通常采用查分度表的方法，将电压值转化为对应的温度值，而分度表是在冷端温度为0℃的条件下给出的。而在实际使用时，冷端常常靠近被测物，且受环境温度的影响，其温度无法保持0℃，这样就产生了测量误差。因此需采取相应的措施来进行补偿或修正，常用的方法有冷端恒温法、电桥补偿法、软件测温补偿法等几种。其中冷端恒温法仅适用于实验室校正，冰水混合物制作麻烦，且需要配套温度保持设备，不适用于工程应用中多变的测试环境；电桥补偿法受热电偶型号及所规定的温度范围限制，否则不仅起不到补偿作用，还会增大温度误差；软件测温补偿法在对不同分度号的热电偶时只需改变机内数据转换表即可，系统的适应性增强，使用较为方便；在软件测温补偿法中，高精度热电阻的测量至关重要，其测量准确度直接影响了冷端补偿的精度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于热电偶快速冷端补偿系统的三线制测温电路，能够避免传统二线制测温电路由引线电阻引起的测量误差，提高冷端补偿过程中热电阻的测量精度。
实现本发明的技术方案如下：
一种用于热电偶快速冷端补偿系统的三线制测温电路，包括测温电阻R0，引线R1、R2、R3，电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10，运放OPA0、OPA1、OPA2，基准电压Vref；其中，引线R1和R2等长；
基准电压Vref的输入与运放OPA0的正输入端连接，一起构成恒流源；
电阻R5两端分别连接OPA0的负输入端与地；
电阻R4一端通过引线R1与测温电阻R0连接，R4的另一端与OPA0输出端连接；
测温电阻R0另一端通过两个引线R2、R3引出，其中引线R2接入OPA0的负输入端，根据运放OPA0虚短虚断，流过R0的电流与流过R5的电流相等且恒定；引线R3接入OPA1的正输入端；
运放OPA1的输出接回OPA1的负输入端；
R6、R7、R8、R9、R10一起构成平衡电桥，通过OPA2运放将R0电阻电压放大。
进一步地，R1电阻值＝R2电阻值。
进一步地，通过电桥平衡设计，使R10＝R7＝2R6，R9＝R8。
进一步地，
Figure BDA0003435097400000021
进一步地，利用测得的电压Vout可以得到热电阻R0当前对应阻值，通过标准温度电阻分度表，查表可以得到冷端温度。再通过查询热电偶标准分度表查出冷端温度对应电动势，将测得电压Vout减去该电动势，然后再次查热电偶标准分度表得到待测热电偶冷端的最终温度。
有益效果：
本发明的三线制测温电路，在控制导线电阻一致的前提下，只需测量一次，即可得到与导线电阻无关测试结果。其测试结果精度高，效率高。
附图说明
图1为软件测温补偿原理图。
图2为三线制冷端测温电路。
图3为软件测温补偿流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
采用软件测温补偿法，在热电偶的冷端放置一个恒流源与高精度热电阻，经放大电路构成桥式测温电路，再经由调理与AD转换测得冷端补偿电压，由该电压值查表获取当前热电阻的温度响应，再将该温度响应换算至热电偶的温度系数中确定电压值，最终对热电偶测得电压进行偏置补偿，其冷端补偿原理框图如图1所示。
本发明提供的一种用于热电偶快速冷端补偿系统的三线制测温电路，如图2所示，电路元器件包括：测温电阻R0，引线R1、R2、R3，电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10，运放OPA0、OPA1、OPA2，基准Vref。
其中基准Vref输入与运放OPA0的正输入端连接，一起构成恒流源；
电阻R5两端分别连接OPA0的负输入端与地，保证OPA0的负输入端不会短路；
电阻R4一端通过引线R1与测温电阻R0连接，另一端与OPA0输出端连接，起到保护电路作用；
测温电阻R0另一端通过两个引线引出，其中引线R2接入OPA0的负输入端，根据运放OPA0虚短虚断，流过R0的电流与流过R5的电流相等且恒定：I＝Vref/R5，电流较小以减小R0自发热对测温的影响。引线R3接入OPA1的正输入端，R3几乎没有电流，其压降可以忽略；
运放OPA1的输出接回OPA1的负输入端，起到电压跟随的作用；
R6、R7、R8、R9、R10一起构成平衡电桥，通过OPA2运放将R0电阻电压放大，则被测电压Vout可用下式表示：
Figure BDA0003435097400000041
通过引线等长设计，使R1＝R2；
通过电桥平衡设计，使R10＝R7＝2R6，R9＝R8；
上式可简化为：
Figure BDA0003435097400000042
可见电压与引线电阻R1、R2无关。
利用测得的电压Vout可以得到热电阻R0当前对应阻值，通过标准温度电阻分度表，查表可以得到冷端温度。再通过查询热电偶标准分度表查出冷端温度对应电动势，将测得电压减去该电动势，然后再次查热电偶标准分度表得到待测热电偶冷端的最终温度。
冷端补偿流程如图3所示，首先进行FPGA和AD的初始化，然后分别采集热电偶电压和冷端温度，随后利用分度表反查冷端电压，与热电偶电动势叠加后再进行反查，最终输出实际温度值，从而实现高精度的冷端补偿。其中，运用本发明中使用的三线制冷端测温电路，可以使步骤4中，采集冷端电压精度更高，且只需测量一次，提高测量效率。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于热电偶快速冷端补偿系统的三线制测温电路，其特征在于，包括测温电阻R0，引线R1、R2、R3，电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10，运放OPA0、OPA1、OPA2，基准电压Vref；其中，引线R1和R2等长；
基准电压Vref的输入与运放OPA0的正输入端连接，一起构成恒流源；
电阻R5两端分别连接OPA0的负输入端与地；
电阻R4一端通过引线R1与测温电阻R0连接，R4的另一端与OPA0输出端连接；
测温电阻R0另一端通过两个引线R2、R3引出，其中引线R2接入OPA0的负输入端，根据运放OPA0虚短虚断，流过R0的电流与流过R5的电流相等且恒定；引线R3接入OPA1的正输入端；
运放OPA1的输出接回OPA1的负输入端；
R6、R7、R8、R9、R10一起构成平衡电桥，通过OPA2运放将R0电阻电压放大。
2.如权利要求1所述的三线制测温电路，其特征在于，R1电阻值＝R2电阻值。
3.如权利要求1所述的三线制测温电路，其特征在于，通过电桥平衡设计，使R10＝R7＝2R6，R9＝R8。
4.如权利要求3所述的三线制测温电路，其特征在于，
Figure FDA0003435097390000011
5.如权利要求1所述的三线制测温电路，其特征在于，利用测得的电压Vout得到热电阻R0当前对应阻值，通过标准温度电阻分度表，查表得到冷端温度；再通过查询热电偶标准分度表查出冷端温度对应电动势，将测得电压Vout减去该电动势，然后再次查热电偶标准分度表得到待测热电偶冷端的最终温度。
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